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1.4 Negative and Fractional Indices - 教材全解

负指数与分数指数 - 掌握负指数和分数指数的运算法则,包括分数指数的根式表示和负指数的倒数表示

核心概念与法则

指数(Indices)可表示为负数或分数,所有有理数指数(整数、分数、负数)均遵循指数运算法则

分数指数:

$$ a^{\frac{1}{m}} = \sqrt[m]{a} $$ ($$m$$次根号下$$a$$,如$$a^{\frac{1}{2}} = \sqrt{a}$$);

$$ a^{\frac{n}{m}} = \sqrt[m]{a^n} = \left( \sqrt[m]{a} \right)^n $$ (先对$$a$$取$$n$$次幂再开$$m$$次根号,或先开$$m$$次根号再取$$n$$次幂)。
负指数:

$$ a^{-m} = \frac{1}{a^m} $$ ($$a \neq 0$$,负指数表示"倒数的正指数幂")。
零指数:

$$ a^0 = 1 $$ ($$a \neq 0$$,非零数的0次幂为1)。

法则推导与示例

1. 分数指数推导:

由$$ x^{\frac{1}{2}} \times x^{\frac{1}{2}} = x^{\frac{1}{2}+\frac{1}{2}} = x^1 = x $$,可知$$ x^{\frac{1}{2}} = \sqrt{x} $$(平方根)。

同理,$$ n $$个$$ x^{\frac{1}{n}} $$相乘得$$ x $$,故$$ x^{\frac{1}{n}} = \sqrt[n]{x} $$($$n$$次根)。

进一步,$$ a^{\frac{n}{m}} = \left(a^{\frac{1}{m}}\right)^n = \sqrt[m]{a^n} $$。

2. 负指数推导:

由$$ a^m \times a^{-m} = a^{m+(-m)} = a^0 = 1 $$($$a \neq 0$$),得$$ a^{-m} = \frac{1}{a^m} $$。

典型示例解析

Example 9(化简指数表达式)

a. $$ \frac{x^3}{x^{-3}} $$:由$$ \frac{a^p}{a^q} = a^{p-q} $$,得$$ x^{3 - (-3)} = x^6 $$;

b. $$ x^{\frac{1}{2}} \times x^{\frac{3}{2}} $$:由$$ a^p \times a^q = a^{p+q} $$,得$$ x^{\frac{1}{2}+\frac{3}{2}} = x^2 $$;

c. $$ (x^3)^{\frac{2}{3}} $$:由$$ (a^p)^q = a^{pq} $$,得$$ x^{3 \times \frac{2}{3}} = x^2 $$;

d. $$ 2x^{1.5} \div 4x^{-0.25} $$:系数相除($$ 2 \div 4 = \frac{1}{2} $$),指数相减($$ 1.5 - (-0.25) = \frac{7}{4} $$),结果为$$ \frac{1}{2}x^{\frac{7}{4}} $$;

e. $$ \sqrt[3]{125x^6} $$:转分数指数为$$ (125x^6)^{\frac{1}{3}} = 125^{\frac{1}{3}} \times x^{6 \times \frac{1}{3}} = 5x^2 $$;

f. $$ \frac{2x^2 - x}{x^5} $$:分子提公因式$$ x $$得$$ x(2x - 1) $$,再除以$$ x^5 $$,结果为$$ 2x^{-3} - x^{-4} $$。

Example 10(计算具体数值)

a. $$ 9^{\frac{1}{2}} = \sqrt{9} = 3 $$;

b. $$ 64^{\frac{1}{3}} = \sqrt[3]{64} = 4 $$;

c. $$ 49^{\frac{3}{2}} = (\sqrt{49})^3 = 7^3 = 343 $$;

d. $$ 25^{-\frac{3}{2}} = \frac{1}{25^{\frac{3}{2}}} = \frac{1}{(\sqrt{25})^3} = \frac{1}{125} $$。

Example 11(代入转化形式)

已知$$ y = \frac{1}{16}x^2 $$,化为$$ kx^n $$形式:

a. $$ y^{\frac{1}{2}} = \left( \frac{1}{16}x^2 \right)^{\frac{1}{2}} = \frac{1}{4}x $$;

b. $$ 4y^{-1} = 4 \times \left( \frac{1}{16}x^2 \right)^{-1} = 64x^{-2} $$。